混流式水轮机叶片流固耦合动力特性研究

于德平

摘要：为了研究混流式水轮机叶片损伤原因，对其流固耦合动力特性进行系统分析。通过水轮机的刚强度分析与流固耦合分析延伸讨论X型叶片在复杂流场情况下的状态。研究得出：混流式水轮机工作时转轮叶片不可转动，所以要承受离心力、水压力等的共同作用，应力情况复杂。水轮机叶片若经常处于水流激振力作用下，会导致叶片振动的产生，若长时间振动必然造成机械结构损伤和零配件材料疲劳，若发生共振还会加剧结构破坏程度。

关键词：混流式水轮机；叶片；流固耦合；动力特性

1.前言

随着社会进步与经济发展，我国水电站发展迅速，其对大型混流式水轮机的容量及参数设计要求也不断提高。当前我国水电设备的设计、制造能力已达到国际先进水平。近几年投运和即将投运的大型或巨型混流式机组的叶片大多是X型叶片。但国内大型机组由于转轮裂纹而引起水轮机损坏现象较为常见。随着材料技术的进步，转轮叶片裂纹问题研究以取得相应进展。现阶段转轮叶片设计、制造、维修工作对新建电站的稳定运行意义重大[1]。

混流式水轮机工作时转轮叶片不可转动，所以要承受离心力、水压力等的共同作用，应力情况复杂。而转轮又处在较恶劣的实际工作环境中，其启、停机和非设计工况下运行等情况下都会对叶片造成不同程度损伤[2]。

2.混流式水轮机的刚强度分析

水轮机转轮是水轮机动力核心部件，具有复杂外形，加工、修复难度大。正常工作时长期处于流场中，应力分布复杂，易损坏，所以对材质要求高。设计转轮和损伤分析中最重要和最常用的参数就是应力状态分布。应力场分析精准性十分关键，求解转轮的应力状态最核心的部分就是对叶片的分析[3]。从业内已有成果来看，适用于水轮机叶片计算的力学模型主要有：二维单元，主要作用为分析叶片根部情况，对叶片其他部位分析精度有限；三维单元，分析较粗糙，无法兼顾叶片局部和细节，不能准确反映局部的应力集中；三维有限元模型，具有较强几何适应性，可精确反映叶片局部的应力应变情况，准确分析叶片的应力情况。克服了其他分析模型离真实情况相差较大的弊病。分析步骤如下：1、叶片静力平衡方程的推导。2、转轮计算模型建立。3、转轮水压力计算。4、结果分析与校验。

3.混流式水轮机转轮的流固耦合分析

流固耦合动力学是基于固体力学和流体力学交叉形成的，其研究内容是两相介质之间的交互作用。主要适用于变形固体和流体两种介质间的交互作用，通俗来讲就是流体动载荷作用下固体产生的变形和动力学响应，而变形和动力学响应反过来影响流场从而改变流体载荷的分布和大小[4]。具体问题可由经验方程来定义，其研究领域可同时包含流体与固体，特点为：流体域或固体域均不可能单独求解；不能显式地消去描述流体运动或固体运动的独立变量。

流固耦合中各种力间相互作用，可通过耦合界面，讨论流体动力与固体运动的相互影响及作用。在耦合界面上，应系统求解运算整个耦合系统后，对其充分了解才可精确分析。

此部分分析计算可通过模型的方式实现，包括ANSYS的实体模型和CFX模型。通过建模比较中可明显看出，压力场变形（图1、图2）。

通过对导叶开度为20mm、单位转速为67.5(r.min-1)、单位流量1.009（m3.s-1）的工况点，转轮变形前后的流场分析对比可知（由于篇幅原因，过程略）：

1、混流式水轮机转轮在流场压力的作用下，叶片变形明显。而变形后的叶片会反过来影响水轮机内部流态，扰乱其分布规律[5]。叶片压力、速度分布都发生了较大变化；

2、由叶片变形引起的压力、速度变化，更易使尾管产生涡带。通过模拟可以看出变形后尾管紊动恶化，空化区变大，在下游段旋涡较大，这将导致转轮效率降低，从而影响机组稳定性。甚至导致叶片裂纹[6]。

4.结论

综上所述，水轮机叶片若经常处于水流激振力作用下，会导致叶片振动的产生，若长时间振动必然造成机械结构损伤和零配件材料疲劳，并且当激振源频率与水轮机结构在水中的固有频率接近或相同时可能引发共振，而共振会加剧结构破坏，由此引起的动应力会引起叶片裂纹。混流式水轮机叶片的流固耦合分析有效得出了各种复杂流场情况下叶片真实损耗情况，可对水轮机叶片维修提供一定参照，在对其维修时也可根据工作环境改变叶片材质增加使用寿命。

参考文献

[1]陈香林,张立翔,闫华.应力刚化及流体压缩性对混流式水轮机叶片动力特性的影响分析[J].昆明理工大学学报(自然科学版),2005,30(6):34-40.

[2]赵铨.混流式水轮机转轮动力特性分析与研究[J].中国科技纵横,2016(14).

[3]张立翔,陈香林,闫华.混流式水轮机转轮叶片流固耦合振动特性分析[J].水电能源科学,2005,23(2):38-41.

[4]王少波.混流式水轮机转轮动力特性分析及综合优化设计[D].机械科学研究院,2003.

[5]马越.混流式水轮机内部流动计算及动力特性分析[D].西华大学,2010.

[6]张杰英.基于流固耦合的混流式水轮机转轮叶片振动机理的研究[J].大电机技术,2013(6):59-62.